고성능 실리콘 열전도 재료를 준비하는 방법은 무엇입니까?

전자제품이 소형화, 다기능화 및 고성능화로 발전함에 따라, 고밀도 3D 시스템 통합 기술이 대두되었습니다. 3차원 시스템 통합은 조립 효율이 높고, 신호 전송 속도가 빠르며, 시스템 신뢰성이 더 우수합니다. 이러한 장점에도 불구하고, 막대한 에너지 소비로 인해 기판의 단위 면적당 발열량이 증가하게 되며, 이에 따라 방열에 대한 관심이 점점 더 높아지고 있습니다. 이는 열 인터페이스용 방열 소재에 대한 성능 요구 사항을 높이는 요인입니다. 방열 설계를 통해 전자제품 열 인터페이스에 축적된 열을 적시에 배출하여 작동 온도를 합리적인 설계 범위 내로 유지함으로써 제품의 시스템 안정성과 신뢰성을 보장합니다. 열전도도는 재료의 열 전도 특성을 설명하는 데 사용됩니다. 열전도도가 높을수록 재료의 열 전도성도 높아집니다. 따라서 고성능 방열 소재의 기본 요건은 열전도도가 충분히 높아야 한다는 것입니다.

고성능 열전도 개스킷 실리콘 고무의 주요 특징은 일반적으로 높은 열전도도, 우수한 제품 신뢰성, 좋은 접착력, 편리한 사용성, 진동 흡수 및 소음 감소, 친환경성 등의 요구사항을 충족해야 합니다. 기본적인 열전도도 외에도, 고객은 열전도 개스킷의 압축 변형률, 열저항 변화, 순간 압력 및 장기 압력에 주목합니다. 얇은 제품의 경우, 제품의 작동 성능, 특히 박리력의 크기에 대해서도 관심을 갖습니다.

열전도 개스킷은 단지 틈새를 채우는 용도로 사용되며, 응력이 매우 작기 때문에 기계적 특성은 일반적으로 높지 않아 제품이 널리 사용됩니다. 전자제품의 성능 요구사항이 지속적으로 향상됨에 따라, 열전도 개스킷에 대한 요구 사항도 점점 높아지고 있으며 지속적으로 업그레이드될 것입니다. 많은 연구가 이루어졌지만, 열전도도가 대부분 3.0W/(m·K) 이하이며, 제조 공식이 확립되지 않고 실제 제품 적용, 특히 신뢰성에 관한 연구가 부족한 실정입니다. 본 실험에서는 반응성 실리콘 오일을 기재로 사용하고 고성능 열전도 충전재를 첨가하여 열전도도가 4.0W/(m·K)인 열전도 개스킷을 제조합니다. 이 제품은 우수한 사용성과 신뢰성을 갖추어 고성능 열전도 개스킷에 대한 고객 요구를 충족할 수 있습니다.

2.2 두께가 열전도 개스킷의 압축 변형에 미치는 영향

2.3 두께가 열전도 개스킷의 열저항에 미치는 영향

2.4 순간 및 장기 압력이 열전도 개스킷의 압축 변형에 미치는 영향

2.5 박리력이 열전도 개스킷의 작동 성능에 미치는 영향

2.6 열전도 패드의 신뢰성

3. 결론

XJY Silicones – First choice raw material supplier of silicone thermally conductive materials

1. 실험

1.1 주요 원료 및 장비

저점도 비닐 실리콘 오일: 점도 200mPa s, 비닐 몰 분율 0.35%; 고점도 비닐 실리콘 오일: 점도 5000mPa s, 비닐 몰 분율 0.35%; 수소 함유 실리콘 오일: 점도 50mm2/s, 활성 수소 질량 분율 0.1%; 변성 실리콘 수지; 백금 촉매, 억제제; 알루미나: 순도 ≥99%, 평균 입자 크기 20μm; 질화 알루미늄: 순도 99.5%, 평균 입자 크기 0.5μm; 구상 알루미나: 순도 ≥99.8%, 평균 입자 크기 70μm. 이중 행성 믹서; 오븐, 열순환식., ｡

1.2 실리콘 열전도 패드 준비

교반 탱크에 저점도 비닐 실리콘 오일 80g, 고점도 비닐 실리콘 오일 8g, 수소 함유 실리콘 오일 6g, 변성 실리콘 수지 5g, 촉매 1.0g, 억제제 0.2g을 넣고 0.5시간 동안 교반한 후, 진공 탈기하여 기포를 제거합니다. 다음으로 질화 알루미늄 55g을 첨가하고 0.5시간 동안 교반한 후, 알루미나 445g을 첨가하여 균일하게 혼합하고 다시 진공 탈기하여 기포를 제거합니다. 마지막으로 구상 알루미나 402g을 첨가하고 0.5시간 동안 교반한 후 진공 탈기하여 기포를 제거합니다. 얻어진 페이스트를 박리 필름 사이에 특정 두께로 성형한 후, 먼저 120°C에서 30분간 1차 가황하고, 그 후 150°C에서 30분간 베이킹하여 실리콘 열전도 패드를 제조합니다.

1.3 성능 시험

열전도도: TPS2500S 열전도도 측정기를 사용하여 ASTMD5470-2006에 따라 시험합니다.
열저항: LW9389 열저항 측정기를 사용하여 ASTMD5470-2006에 따라 시험합니다.
경도: Shore OO형 경도계 사용.
밀도: 헬륨 진밀도법으로 DPY-31 진밀도계를 사용하여 측정.
인장 강도: LS1 전자 만능 재료 시험기를 사용하여 ASTMD412-2006에 따라 측정.
파단 연신율: ETM103A 제어 전자 만능 재료 시험기를 사용하여 ASTMD412-2006에 따라 측정.
체적 저항률: 1508 절연 저항 측정기를 사용하여 ASTMD257-2007에 따라 측정;
유전율: HJC-50kV 절연 파괴 시험기를 사용하여 ASTMD150-2011에 따라 측정;
180° 박리 강도: AR-1000 박리 강도 시험기로 측정.
고온 노화 특성: Z120306 열 순환 오븐 채택. 시험 방법: 시편을 150℃에서 440시간 방치 후 실온으로 냉각하여 내열성 시험;
냉열 충격 노화 특성: WIEETS60 고저온 충격 시험기로 측정. 시험 방법: -40~125℃ 냉열 순환 시험, 시편을 -40℃에서 0.5시간, 이후 125℃에서 0.5시간 방치, 이 과정을 1사이클로 총 440사이클 시험 후 실온으로 냉각하여 시편의 내열성을 시험.
Moisture and heat aging property: Use the KTHB-415TBS constant temperature and humidity box. The thermal resistance of the sample was measured after being placed at 85°C and 85% relative humidity for 440 hours and then cooled to room temperature.
Instantaneous pressure: At the specified compression rate, the test reaches the specified compression deformation pressure.
장기 압축: 지정된 압축률에서, 시험은 지정된 압축 변형을 5분 이상 유지.

2. 결과 및 논의

2.1 열전도 개스킷의 성능 지표

고성능 방열 패드의 열전도도 요구사항은 상대적으로 높습니다. 일반적으로, 고열전도도는 다량의 열전도 필러를 통해 달성됩니다. 열전도 필러 양이 시스템 전체 질량의 90%를 차지할 때, 열전도도는 4.0 W/m•K에 도달합니다; 이때 밀도는 3.4g/cm³입니다. 일반 열전도 개스킷과 비교하여, 파단 연신율은 현저히 감소하지만, 우수한 전기 절연 성능은 여전히 유지됩니다. 제조된 실리콘 방열 패드의 특성은 표 1에 나타나 있습니다.

표 1: 실리콘 방열 개스킷 특성
시험 항목	Performance
열전도도	4.0
쇼어 경도	50
Density	3.4
인장 강도	0.07
파단 연신율	25
체적 저항률	1×10¹³
상대 유전율	5.0

2.2 두께가 열전도 개스킷의 압축 변형에 미치는 영향

압축 변형 또한 고성능 서멀 패드의 중요한 지표입니다. 압축 변형이 클수록 제품의 유연성이 더 우수하고, 밀착이 더 용이하며, 계면 열저항이 더 작아져 더 나은 열전도 성능을 달성할 수 있습니다. 두께가 서로 다른 제품의 압축 변형은 서로 다릅니다. 일반적으로 압축 변형의 압축률은 0.5mm/min입니다. 서멀 패드의 압축 변형에 미치는 두께의 영향은 Figure 1.

그림 1: 서멀 패드의 압축 변형에 미치는 두께의 영향

그림 1에서 볼 수 있듯이, 동일한 압력 하에서 두께가 클수록 압축 변형률이 높아집니다. 일반적으로 두꺼운 제품의 압축 변형률은 60% 이상(일반적으로 0.69MPa 미만)이 요구되며, 압축 변형 곡선을 바탕으로 제품을 초기 선별할 수 있습니다.

2.3 두께가 열전도 개스킷의 열저항에 미치는 영향

고성능 방열 패드의 특징 중 하나는 낮은 열저항입니다. 열저항이 낮을수록 열전도 효과가 더 우수합니다. 두께가 서로 다른 제품의 열저항은 다릅니다. 방열 패드의 열저항에 미치는 두께의 영향은 그림 2를 참조하십시오.

그림 2 방열 패드의 열저항에 미치는 두께의 영향

그림 2에서 알 수 있듯이 제품의 두께가 클수록 열저항이 커집니다. 동일한 두께의 제품 열저항은 압력이 증가함에 따라 선형적으로 감소합니다. 제품의 두께는 방열 부재의 설계에 의해 결정됩니다. 방열 설계 유닛의 간극 너비는 제품의 두께에 대응합니다.

2.4 순간 및 장기 압력이 열전도 개스킷의 압축 변형에 미치는 영향

방열 패드에 대한 순간 및 장기 압력 시험 결과는 표 2와 같습니다..

표 2: 순간 및 장기 압력이 방열 패드의 압축 변형에 미치는 영향
압축 변형/%	순간 변형/MPa	장기 변형/MPa
10	0.06	0
20	0.14	0.01
30	0.26	0.04
40	0.40	0.07
50	0.51	0.09
60	0.68	0.11

참고: 1) 시험 속도 25.4 mm/min, 두께 2mm

표 2는 압축률 25.4 mm/min 조건에서 30% 압축 변형률을 달성하려면 0.259 MPa의 순간 압력이 필요하며, 30% 압축 변형률을 유지하려면 0.037 MPa의 장기 압력이 필요함을 보여줍니다. 순간 및 장기 압력이 실제 적용 조건과 유사하여 매우 사용하기 쉽습니다.

2.5 박리력이 열전도 개스킷의 작동 성능에 미치는 영향

높은 함량의 열전도 필러를 사용하면 서멀 패드의 열전도율은 높아지지만, 제품 자체의 강도가 약해지며, 심한 경우 전자 부품에 얼룩을 남기거나 제품에 환경적 결함이 생길 수 있습니다. 따라서 고성능 방열 패드 설계는 박리력과 제품 가공성 간의 균형을 반드시 고려해야 합니다. 일반적으로 얇은 제품은 두꺼운 제품보다 더 높은 가공성이 요구됩니다. 패드가 박리 필름을 오염시키지 않더라도, 높은 박리력을 가진 얇은 패드는 필름 제거 과정 중 패드를 들어올리거나 변위시켜 사용에 지장을 줄 수 있습니다. 박리력이 서멀 패드의 가공성에 미치는 영향은 표 3과 같습니다.

표 3: 박리력이 방열 패드의 가공성에 미치는 영향
박리 강도	Operability
20	리프 필름의 얼룩 현상
12	얼룩 없는 리프 필름, 이동 용이
8	얼룩 없는 리프 필름, 이동 없음

표 3에서 보듯이, 0.8mm 두께의 열전도 패드의 경우 박리 강도가 12g/25mm 이상일 때 작업성이 불량하며, 박리 강도가 8g/25mm일 때 가장 우수합니다. 제품이 두꺼울수록 리프 필름 제거가 쉬워지기 때문에 본 실험에서는 얇은 제품만 논의합니다.

2.6 열전도 패드의 신뢰성

신제품 업그레이드는 일반적으로 신뢰성 비교 시험이 필요합니다. 신뢰성 시험에는 고온 노화 시험, 열 충격 노화 시험 및 온습 노화 시험이 포함됩니다. 제품 업그레이드 과정에서 고객은 열전도 패드의 열전도율이 440시간 노화 후 원래 기준 샘플보다 낮아서는 안 된다고 요구합니다. 신뢰성 시험 결과는 그림 3에서 그림 5까지에 나타나 있습니다.

Figure 3: 열전도 패드의 고온 노화

Figure 4: 열전도 패드의 열 충격 노화

Figure 5: 열전도 패드의 온습 노화

그림 3에서 그림 5까지를 통해 알 수 있듯이, 150℃에서 440시간 노화 과정 동안 열전도 패드의 열저항은 기준 샘플보다 낮습니다; 440시간 열 충격 노화 과정에서 열전도 패드의 열저항은 기준 샘플보다 낮습니다; 440시간 온습 노화 과정에서 열전도 패드의 열저항은 기준 샘플보다 낮습니다.

In summary, the upgraded reliability of thermal pads with the same thickness is better than that of the original reference samples.

3. 결론

반응성 실리콘 오일을 기재로 하고 알루미나와 질화 알루미늄을 열전도 필러로 사용하여 고성능 열전도 패드를 제조한다. 선호되는 배합은 다음과 같다: 저점도 비닐 실리콘 오일 80g, 고점도 비닐 실리콘 오일 8g, 수소 함유 실리콘 오일 6g, 변성 실리콘 수지 5g, 촉매 1.0g, 억제제 0.2g을 교반기 내에 투입하고 0.5시간 동안 교반한 후, 진공으로 기포를 제거한다; 그 다음 질화 알루미늄 55g을 투입하고 0.5시간 동안 교반한 후, 알루미나 445g을 투입하여 균일하게 교반하고 다시 진공으로 기포를 제거한다; 최종적으로 구형 알루미나 402g을 투입하여 0.5시간 동안 교반한 뒤 진공으로 기포를 제거한다. 이 배합으로 제조된 제품의 열전도율은 4.0W/(m·K)에 도달하여, 조작 및 사용이 용이하고 우수한 신뢰성을 가지며, 고성능 열전도 패드에 대한 고객 요구사항을 충족할 수 있다.

XJY 실리콘s – 실리콘 열전도 소재 최우선 원료 공급업체

XJY Silicones, one of China’s leading 실리콘 MQ 수지 그리고 VMQ 열전도 실리콘 제조사로서 실리콘 산업에서 30년 이상의 연구개발 및 제조 경험과 15건 이상의 관련 특허 기술 지원을 보유하고 있으며, 또한 귀사의 전자 장비 요구사항에 맞춰 비용 효율적인 열전도 실리콘 제품을 맞춤 제작할 수 있습니다.